Sáng kiến kinh nghiệm phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch

Sáng kiến kinh nghiệm phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường THPT, đặc biệt là trong quá trình ôn luyện cho học sinh thi học sinh giỏi các cấp và ở các kì thi Đại học; chuyên

đề điện phân dung dịch là một chuyên đề hay và khá quan trọng nên các bài tập về

điện phân thường có mặt trong các kì thi lớn của quốc gia

Với hình thức thi trắc nghiệm như hiện nay thì việc giải nhanh các bài toán Hóa học là yêu cầu hàng đầu của người học; yêu cầu tìm ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất không những giúp người học tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn luyện được tư duy và năng lực phát hiện vấn

đề của người học

Trong thực tế tài liệu viết về điện phân dung dịch còn ít nên nguồn tư liệu để giáo viên nghiên cứu còn hạn chế do đó nội dung kiến thức và kĩ năng giải các bài tập điện phân cung cấp cho học sinh chưa được nhiều Vì vậy, khi gặp các bài toán điện phân các em thường lúng túng trong việc tìm ra phương pháp giải phù hợp

Qua quá trình tìm tòi, nghiên cứu trong nhiều năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bài tập điện phân dung dịch và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinh một cách dễ hiểu, dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả

trong các kỳ thi Trên cơ sở đó, tôi mạnh dạn chọn đề tài “ Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch” làm sáng kiến kinh nghiệm cho mình Với hy vọng đề tài này

sẽ là một tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập của các em học sinh 12 và cho công tác giảng dạy của các bạn đồng nghiệp

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

A Những thuận lợi và khó khăn khi giải bài tập điện phân trong dung dịch

I Thuận lợi:

- HS viết được phương trình điện phân tổng quát và tính toán theo phương trình đó

- HS biết áp dụng công thức Faraday ( m A.I.t

n.F

 ) vào giải các bài tập điện phân

- HS viết được các bán phản ứng xảy ra ở các điện cực

- Học sinh thường lúng túng khi xác định trường hợp H2O bắt đầu điện phân ở các điện cực (khi bắt đầu sủi bọt khí ở catot hoặc khi pH của dung dịch không đổi)

- Học sinh nhầm lẫn quá trình xảy ra ở các điện cực

- Học sinh viết sai thứ tự các bán phản ứng xảy ra ở các điện cực → tính toán sai

- Học sinh thường bỏ qua các phản ứng phụ có thể xảy ra giữa các sản phẩm tạo thành như: điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí

H2 thoát ra ở catot ; Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN TRONG DUNG DỊCH

I CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN

I.1 ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH MUỐI

I.1.1 Điện phân các dung dịch muối của Kim loại kiềm, kiềm thổ, Nhôm

a Ở catot (cực âm)

Các ion kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và ion Nhôm không bị điện phân vì chúng có tính oxi hóa yếu hơn H2O; H2O bị điện phân theo phương trình:

2H2O + 2e → H2 + 2OH–

b Ở anot (cực dương):

- Nếu là S2-, Cl-, Br-, I- thì chúng bị điện phân trước H2O theo thứ tự tính khử:

S2->I- > Br- > Cl- > H2O (F- không bị điện phân )

Phương trình điện phân tổng quát: S2- → S + 2e; 2X- → X2 + 2e

Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phương trình:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e

- Nếu là các ion: NO3

-, SO4 2-

, CO3 2-

, PO4 3- thì chúng không bị điện phân mà

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

 Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NaNO 3 , K 2 SO 4 , Na 2 CO 3 ,

MgSO 4 , Al 2 (SO 4 ) 3

Ví dụ 3: Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ ,có màng ngăn,

cường độ dòng điện I là 1.93A Tính thời gian điện phân để được dung dịch pH = 12, thể tích dung dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là 100%

→ Số mol e trao đổi là : n = 0,001 mol

Áp dụng công thức Faraday : n = I.t t=n.F 0, 001.96500 50s

→ Chọn đáp án A

 Áp dụng tương tự để giải bài tập V.7

I.1.2 Điện phân các dung dịch muối của các kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa

1 Ở catot (cực âm)

- Các cation kim loại bị khử theo phương trình: Mn+ + ne → M

Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phương trình: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–

2 Ở anot (cực dương): (Xảy ra tương tụ mục I.1.1b)

Ví dụ 1 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuSO 4 :

CuSO4 → Cu2+ + SO42-

A pH = 0,1 B pH = 0,7 C pH = 2,0 D pH = 1,3

Hướng dẫn giải

Đến khi vừa bắt đầu sủi bọt khí bên catot thì Cu2+

vừa hết Điện phân dung dịch : CuSO4 :

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

I.1.3 Điện phân hỗn hợp các dung dịch muối

* Ở catot: Các cation kim loại bị khử theo thứ tự trong dãy thế điện cực chuẩn

(ion có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước): Mn+

+ ne → M

* Ở anot : (Xảy ra tương tụ mục I.1.1b)

Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch hỗn hợp NaCl và Cu(NO 3 ) 2 :

Điện phân (với điện cực trơ) một dung dịch gồm NaCl và CuSO 4 có cùng số mol, đến

khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện phân Trong cả quá trình điện phân trên, sản

phẩm thu được ở anot là

A khí Cl 2 và O 2 B khí H 2 và O 2 C chỉ có khí Cl 2 D khí Cl 2 và H 2

→ Chọn đáp án: A

Ví dụ 3: Điện phân hoàn toàn dung dịch hỗn hợp gồm a mol Cu(NO 3 ) 2 và b mol

NaCl với điện cực trơ , màng ngăn xốp Để dung dịch thu được sau khi điện phân có

khả năng phản ứng với Al 2 O 3 thì

A b = 2a B b > 2a C b < 2a D b < 2a hoặc b > 2a

đpdd đpdd

đpdd

Hướng dẫn giải Cu(NO3)2 → Cu2+ + 2NO3-

sau (1) : a < b/2 ( b > 2a) → có phản ứng : 2H2O + 2Cl- → 2OH- + H2 + Cl2

→ Dung dịch thu được có môi trường bazơ → Có phản ứng với Al2O3 : NaOH + Al2O3

Na+ không điện phân SO4

không điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

n e (trao đổi)= 

F I.t 0,2 mol 0,12 0,12 2H2O → 4H+

+O2 + 4e 0,02  0,08

Vkhí = (0,06 + 0,02) 22,4 = 1,792 lít → Đáp án C

 Áp dụng tương tự để giải bài tập V.8

Ví dụ 5: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO 4 0,2M và AgNO 3 0.1M với cường độ dòng điện I = 3.86A.Tính thời gian điện phân để được một khối lượng kim loại bám bên catot là 1.72g ?

A 250s B 1000s C 500s D 750s

Hướng dẫn giải

Số gam kim loại Ag tối đa được tạo thành : 0,01.108 = 1,08 gam

Số gam Cu tối đa tạo thành : 0,02.64 = 1,28 gam

Vì 1,08 < 1,72 < 1,08 + 1,28 → Điện phân hết AgNO3 , Và còn dư một phần CuSO4

→ Khối lượng Cu được tạo thành : 1,72 – 1,08 = 0,64 gam → n Cu = 0,01 mol

n CuCl2 = 0,1.0,5 = 0,05 mol ; n NaCl = 0,5.0,5 = 0,25 mol

→ n Cu2+ = 0,05 mol , n Cl- = 0,25 + 0,05.2 = 0,35 mol → Vậy Cl- dư , Cu2+ hết , nên tại catot sẽ có phản ứng điện phân nước (sao cho đủ số mol e nhận ở catot là 0,2)

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e

2H2O + 2e → H2 + 2OH

-0,1 (0,2-0,1) → 0,1

Dung dịch sau khi điện phân có 0,1 mol OH

có khả năng phản ứng với Al theo phương trình : Al + OH- + H2O → AlO2

+ 3/2 H2 0,10,1

mAl max = 0,1.27= 2,7 (g) → Chọn Đáp án B

Ví dụ 8:: Mắc nối tiếp hai bình điện phân: bình (1) chứa dung dịch MCl 2 và bình (2) chứa dung dịch AgNO 3 Sau 3 phút 13 giây thì ở catot bình (1) thu được 1,6 gam kim loại còn ở catot bình (2) thu được 5,4 gam kim loại Cả hai bình đều không thấy khí ở catot thoát ra Kim loại M là:

1,6.2.F  → M = 64 → Cu → Chọn đáp án B

 Áp dụng tương tự để giải bài tập V.10, V.11

I.2 ĐIỆN PHÂN CÁC DUNG DỊCH AXIT:

*Ở catot: Các ion H+ (axit) dễ bị khử hơn các ion H+ (H2O): 2H+ + 2e → H2

Khi ion H+ (axit) hết , nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phương trình: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–

* Ở anot: (Xảy ra tương tụ mục I.1.1b)

Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dich HCl:

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

HCl → H+ + Cl-

Catot(-) Anot (+)

2H+ + 2e → H2 2Cl- → Cl2 + 2e

→ Phương trình điện phân: HCl H2 + Cl2

Ví dụ 2: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch H 2 SO 4

→ Phương trình điện phân: H2O → H2 + ½ O2

I.3 ĐIỆN PHÂN CÁC DUNG DỊCH BAZƠ

→ Phương trình điện phân: H2O → H2 + ½ O2

Ví dụ 2: Tiến hành điện phân (với điện cực Pt) 200 gam dung dịch NaOH 10 %

đến khi dung dịch NaOH trong bình có nồng độ 25 % thì ngừng điện phân Thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở anot và catot lần lượt là:

đpdd

A 149,3 lít và 74,7 lít B 156,8 lít và 78,4 lít

C 78,4 lít và 156,8 lít D 74,7 lít và 149,3 lít

Hướng dẫn giải:

mNaOH (trước điện phân) = 20 gam

Điện phân dung dịch NaOH thực chất là điện phân nước

Phương trình điện phân: : H2O → 1/2 O2 (anot) + H2 (catot)

→ mNaOH không đổi → mdd sau điện phân = 80 gam → mH2O bị điện phân = 200 – 80 = 120 gam

→ nH2O điện phân = 20/3 mol → VO2 = 74,7 lít và VH2 = 149,3 lít → Chọn đáp án D

I.4 ĐIỆN PHÂN HỖN HỢP CÁC DUNG DỊCH ĐIỆN LI ( dd muối, axit, bazơ)

* Ở catot: Thứ tự điện phân: ion có tính oxi hóa mạnh hơn bị điện phân trước:

* Ở anot: Thứ tự điện phân: S2-> I- > Br- > Cl- > OH- > H2O theo các phương

trình sau:

S2- → S + 2e 2X- → X2 + 2e

4OH- → 2H2O + O2 + 4e 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Ví dụ 1: Điện phân hỗn hợp các dung dịch: HCl, CuCl 2 , NaCl với điện cực trơ, có màng ngăn Giá trị pH của dung dịch thay đổi như thế nào trong quá trình điện phân:

A Tăng B Giảm C Tăng rồi giảm D Giảm rồi tăng

→ Chọn đáp án A

Ví dụ 2 : Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp gồm HCl 0,1M và CuSO 4 0,5M bằng điện cực trơ Khi ở catot có 3,2 gam Cu thì thể tích khí thoát ra ở Anot là

A.0,56 lít B.0,84 lít C.0,672 lít D.0,448 lít

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

Hướng dẫn giải CuSO4 → Cu2+ + SO42-

Khi ở catot thoát ra 3,2 gam Cu tức là 0,05 mol → Số mol Cu2+

nhận 0,1 mol ,

mà Cl- cho tối đa 0,02 mol → 0,08 mol còn lại là H2O cho

→ Từ sơ đồ điện phân khí thoát ra tại anot là : Cl2 0,01mol ; O2 0,02 mol

→ Tổng thể tích : 0,03.22,4 = 0,672 lít

→ Chọn đáp án C

Ví dụ 3: Điện phân 100 ml hỗn hợp dung dịch gồm FeCl 3 1M , FeCl 2 2M , CuCl 2 1M và HCl 2M với điện cực trơ có màng ngăn xốp cường độ dòng điện là 5A trong 2 giờ 40 phút 50 giây ở catot thu được:

Cu2+ + 2e → Cu (2) 0,1 → 0,2→ 0,1

H+ + 1e → Ho (3)

Fe2+ + 2e → Fe (4) Theo công thức Faraday số mol e trao đổi ở hai điện cực :

- Môi trường dung dịch sau điện phân:

+ Dung dịch sau điện phân có môi trường axit nếu điện phân muối tạo bởi kim loại sau Al (trong dãy điện hóa) và gốc axit có oxi như: CuSO4, FeSO4, Cu(NO3)2

+ Dung dịch sau điện phân có môi trường bazơ nếu điện phân muối tạo bởi kim loại đứng trước Al (Al, Kim loại kiềm, kiềm thổ) và gốc axit không có oxi như: NaCl, AlCl3, KBr

+ Dung dịch sau điện phân có môi trường trung tính: điện phân các dung dịch điện li còn lại như : HCl, H2SO4, Na2SO4

- Các loại điện cực:

* Điện cực trơ: (ví dụ : platin )

* Điện cực tan: ( ví dụ: bạc, đồng ) Chính anot bị oxi hóa, ăn mòn dần (tan dần)

Các ion khác có mặt trong dung dịch hầu như còn nguyên vẹn, không bị oxi hóa

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO4 với bình điện phân có anot làm bằng kim loại Cu: Phương trình điện phân:

dpdd ( àm anot)tanl uSO4 uSO4 ( ám catot)b

Cu C C Cu

- Ý nghĩa sự điện phân: phương pháp điện phân được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

sản xuất và trong phòng thí nghiệm nghiên cứu như dùng để điều chế kim loại tinh khiết; điều chế một số phi kim và một số hợp chất; tinh chế một số kin loại hoặc trong lĩnh vực mạ điện

II ĐỊNH LƢỢNG TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN

* Muốn tính khối lượng các chất giải phóng ở các điện cực ta có thể tính theo phương trình điện phân

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

2CuSO + 2H O   2Cu + O + 2H SO

160(g ) 64(g) →11,2(lit) →1(mol)

a(g) x (g) → y (lit) →z(mol)

* Khi biết cường độ dòng điện ( I) và thời gian điện phân (t) ta có thể tính theo

công thức Faraday: . .

A Q A I t m

A   n F

Trong đó: m - khối lượng chất (rắn, lỏng, khí) thoát ra ở điện cực (gam)

A - Khối lượng nguyên tử (đối với kim loại) hoặc khối lượng phân tử (đối với

chất khí) n - số electron trao đổi

III CÁC BƯỚC THÔNG THƯỜNG GIẢI MỘT BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN

Bước 1: Viết phương trình điện li của tất cả các chất điện phân; Xác định các ion

ở mỗi điện cực

Bước 2: Viết các PTHH của các bán phản ứng (Viết phương trình cho, nhận e của các ion tại các điện cực); Tính số e trao đổi ở mỗi điện cực (Nếu giả thiết cho

cường độ dòng điện và thời gian điện phân) :

ne (cho ở anot) = ne (nhận ở catot)

Bước 3: Biểu diễn các đại lượng theo các bán phản ứng hoặc theo phương trình điện phân chung Bước 4: Tính theo yêu cầu của bài toán

+ Trong nhiều trường hợp, có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol

electron thu được ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh

IV MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIẢI BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM ĐIỆN PHÂN

(1) H2O bắt đầu điện phân tại các điện cực khi:

+ Ở catot: bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi nghĩa là các ion kim loại bị điện phân trong dung dịch đã bị điện phân hết

+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hai loại)

có thể bị điện phân đã bị điện phân hết Khi đó tiếp tục điện phân sẽ là H2O bị điện phân

(2) Khi điện phân các dung dịch:

+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học mạnh (KOH, NaOH, Ba(OH)2,…) + Axit có oxi (HNO3, H2SO4, HClO4,…)

+ Muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm (KNO3, Na2SO4,…)

→ Thực tế là điện phân H2O để cho H2 (ở catot) và O2 (ở anot)

(3) Khi điện phân dung dịch với anot là một kim loại không trơ (không phải Pt hay điện cực than chì) thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực

(4) Có thể có các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp: chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực như: Điện phân dung dịch NaCl

không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H2 thoát ra ở catot ; Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot

(5) Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào

- mdd sau dp  mdd truoc dp     m m

- Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = (mkết tủa + mkhí)

(6) Viết bán phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theo đúng

thứ tự, không cần viết phương trình điện phân tổng quát và sử dụng CT: ne m I.t

Sáng kiến kinh nghiệm Bậc THPT

- Nếu đề bài cho I và t thì trước hết tính số mol electron trao đổi ở từng điện cực

(ne) theo công thức:

F

I.t

ne (*) (với F = 96500 khi t = giây và F = 26,8 khi t = giờ) Sau

đó dựa vào thứ tự điện phân, so sánh tổng số mol electron nhường hoặc nhận với ne để biết mức độ điện phân xảy ra

(8) Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì dựa vào các bán phản ứng để tính số mol electron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức (*) để tính I hoặc t (9) Nếu đề bài yêu cầu tính điện lượng cần cho quá trình điện phân thì áp dụng công thức: Q = I.t = ne.F

(10) Có thể tính thời gian t’ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi

so sánh với thời gian t trong đề bài Nếu t’ < t thì lượng ion đó đã bị điện phân hết còn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết

(11) Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường

độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau → sự thu hoặc nhường

electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên

tỉ lệ mol với nhau

(12) Trong nhiều trường hợp có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot = số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh

V BÀI TẬP ÁP DỤNG

V.1 Khi điện phân các dung dịch: NaCl, KNO3, AgNO3, CuSO4 với điện cực trơ, màng ngăn xốp Dung dịch có pH tăng trong quá trình điện phân là:

A NaCl B KNO3 C AgNO3 D CuSO4

V.2.(Trích Đại học khối B-2007): Điện phân dung dịch chứa a mol CuSO4 và b mol NaCl ( với điện cực trơ, có màng ngăn xốp) Để dung dịch sau điện phân làm

phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì điều kiện của a và b là:

A b = 2a B 2b = a C b > 2a D b < 2a

V.3: Điện phân 100ml dung dịch CuSO4 0.2M với cường độ I = 9.65 A.Tính khối